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Joule-Thomson-Effekt

Joule-Thomson-Effekt. Vortrag von Patric Sahling und Daniela Schuh. Inhalt:. Theorie: Versuch von Joule-Thomson Herleitung der Formel Joule-Thomson-Koeffizient Versuch: Versuchsaufbau Versuchsablauf Literaturwerte Technischer Einsatz des J.-T.- Effekts Literaturquellen.

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Joule-Thomson-Effekt

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Presentation Transcript

  1. Joule-Thomson-Effekt Vortrag von Patric Sahling und Daniela Schuh

  2. Inhalt: • Theorie: • Versuch von Joule-Thomson • Herleitung der Formel • Joule-Thomson-Koeffizient • Versuch: • Versuchsaufbau • Versuchsablauf • Literaturwerte • Technischer Einsatz des J.-T.- Effekts • Literaturquellen

  3. James Prescoutt Joule • Lebte von 1818 – 1898 • Engl. Naturforscher und Physiker • Erhielt neben der Arbeit in der elterlichen Brauerei Unterricht in Mathematik und Naturwissenschaften bei Dalton • Mit 22 veröffentlichte er seine erste Abhandlung über das Stromwärme-Gesetzt  Joule‘sche Gesetzt(Sagt aus, das die Wärme die in einem Stromdurchflossenen Draht entsteht, der Größe des Wiederstandes (R ), der Zeit (T) und dem Quadrat der Stromstärke proportional ist) Q = R * T * I² • Trat als einer der ersten für den Satz von der Erhaltung der Energie ein

  4. William Thomson • Späterer Lord Kelvin (ab 1892) • Lebte von 1824 – 1907 • 1846-1899 Professor für Naturphilosophie und theoretischer Physik in Glasgow • Mitbegründer der Thermodynamik • Definition der absoluten Temperatur • Wandte die Thermodynamik auf elektrische, magnetische und elastische Erscheinungen an

  5. Laut Gay-Lussac gilt: • Das Volumen eines Gases nimmt bei konstantem Druck und steigender Temperatur linear zu. • Die innere Energie eines idealen Gases hängt nicht von Volumen oder Druck ab, sondern nur von der Temperatur.

  6. Versuch Joule Thomson • Zunächst hat Joule den Versuch über die Drosselung der Gase von Gay-Lussac verbessert • Dann mit Thomson (1853) wie folgt durchgeführt: • Ein Gas über Glasfritte, Ton oder Filz (Poröses Material) geleitet und die Temp. vorher und nachher gemessen.

  7. Herleitung der Formel • Für ideale Gase gilt • Sowie • Innere Energie = 0 • Enthalpie = 0

  8. Herleitung der Formel • Für Reale Gase gilt dies nicht da Anziehungs- und Abstoßungskräfte überwunden werden müssen • Ein reales Gas muss bei einer adiabatischen Expansion in ein Vakuum seine Temperatur ändern. • Die meisten Gase erniedrigen ihre Temperatur • Ausnahmen sind z.B: H2, He

  9. Herleitung der Formel • Ein Gas welches von Druck p1 auf Druck p2 adiabatisch expandiert wird leistet Arbeit

  10. Herleitung der Formel Daraus folgt für den Joule Thomson Koeffizienten:

  11. Herleitung der Formel Um den Zähler näher zu definieren verwendet man den 2. Hauptsatz der Thermodynamik:

  12. Herleitung der Formel Die Expansion des betrachteten realen Gases kann hinreichend genau mit einer vereinfachten Virialgleichung beschrieben werden.

  13. Joule - Thompson Koeffizient • Koeffizient negativ  folgt eine Temperaturerhöhung • Koeffizient positiv  folgt eine Temperaturerniedrigung • Koeffizient = 0  keine Temperaturänderung (ideales Verhalten) • Bei der Inversionstemperatur Ti = 2a/Rb erfolgt der Vorzeichenwechsel

  14. Versuchsaufbau

  15. Versuchsaufbau • 1 Wärmetauscher • 2 Schraubverschluss • 3 PVC Schlauch • 4 Manometer • 5 Druckbehälter • 6 Glasfritte • 7 Behälter mit Umgebungsdruck • 8 Belüftung • 9 Schraubverschluss • 10 Schlaucholive

  16. Versuchsablauf • Aus einer Gasflasche wird Gas in die Apparatur geleitet. • Im Praktikum sind das CO2 und N2 • Mit Hilfe einer Stellschraube wird der Druck im Expansionsgefäß langsam in 100 mbar Schritten erhöht • Der Temperaturausgleich wird abgewartet.

  17. Literaturwerte • Joule Thomson Koeffizienten für die im Praktikum verwendeten Gase: • µ(CO2) = 1.10 K/bar • µ(N2) = 0.27 K/bar

  18. Technische Anwendung • Gewinnung von flüssigem Sauerstoff  Das Linde Verfahren kann ebenso für andere Gase verwendet werden.

  19. Technische Anwendung • Das Verfahren arbeitet nach dem Gegenstromprinzip • Das Komprimierte Gas wird durch das bereits entspannte und abgekühlte Gas vorgekühlt. • Dadurch erfolgt weitere Abkühlung rascher und es tritt eine schnellere Verflüssigung ein.

  20. Technische Anwendung • Für Sauerstoff gilt: • Die Luft muss Wasser und CO2 rein sein • Auf 200 bar komprimiert und mittels eines Drosselventils wieder entspannt. • Mit der bereits abgekühlten Luft wird die nachkommende vorgekühlt. • Es kommt zur Verflüssigung. • Stickstoff bleibt aufgrund des niedrigeren Siedepunktes Gasförmig.

  21. Literaturquellen • Skript PC I, J. Kleffmann • Wedler Lehrbuch der Physikalischen Chemie, zweite Auflage, 1985 • Kortüm, Lachmann, Einführung in die Chemische Thermodynamik, 7. Auflage 1981 • Internet

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